简单,太阳能淡化水

麻省理工学院和中国的研究人员开发了一种完全被动式太阳能淡化系统,每平方米太阳能收集面积每小时可提供1.5加仑以上的新鲜饮用水。这样的系统有可能为离网干旱的沿海地区提供高效、低成本的水源。

该系统使用多层平板太阳能蒸发器和冷凝器,排列成垂直阵列,顶部是透明的气凝胶绝缘材料。这是在今天的《能源与环境科学》杂志上发表的一篇论文中所描述的,作者是麻省理工学院的博士生张丽娜和林赵,博士后徐振远,机械工程教授和系主任王伊芙琳,以及麻省理工学院和中国上海交通大学的其他8位博士。

该系统效率的关键在于它如何利用每个阶段的海水淡化。在每个阶段,前一阶段释放的热量被利用而不是浪费。通过这种方式,该团队的演示装置可以将阳光的能量转化为水蒸发的能量,整体效率达到385%。

该设备本质上是一个多层太阳能蒸馏器,有一组蒸发和冷凝组件,就像那些用来蒸馏酒的组件一样。它使用平板来吸收热量,然后把热量转移到一层水里,这样它就开始蒸发了。然后蒸汽在下一个面板上凝结。水被收集起来,而蒸汽凝结的热量被传递到下一层。

当蒸汽在表面凝结时,它就释放热量;在典型的冷凝器系统中,热量只是简单地流失到环境中。但是在这个多层蒸发器中,释放的热量会流向下一层蒸发器,循环利用太阳能,提高整体效率。

“当你凝结水的时候,你会以热的形式释放能量,”王说。“如果你有一个以上的舞台,你可以利用这种热度。”

增加更多的层增加了生产饮用水的转换效率,但是每一层也增加了系统的成本和体积。该团队为他们的概念验证装置确定了一个10级系统,并在麻省理工学院的屋顶上进行了测试。该系统输送的纯净水超过了该市的饮用水标准,太阳能收集面积为每平方米5.78升(约每11平方英尺1.52加仑)。王说,这是以往任何此类被动太阳能淡化系统创纪录产量的两倍多。

张说,理论上,随着更多的海水淡化阶段和进一步的优化,这样的系统可以达到整体效率水平高达700%或800%。

与一些脱盐系统不同,它不需要处理大量的盐或高浓度的卤水。根据研究人员的说法,在一个自由漂浮的结构中,任何在白天积累的盐在晚上会通过灯芯材料被带回到海水中。

他们的示范装置主要是由便宜的、现成的材料建造的,比如一个商用的黑色太阳能吸收器和用于毛细管灯芯的纸巾,使水与太阳能吸收器接触。王说,在制造被动式太阳能脱盐系统的其他大多数尝试中,太阳能吸收材料和灯芯材料都是单一组件,这需要专门的昂贵材料。“我们已经能够解耦这两者。”

原型机最昂贵的部件是一层透明的气凝胶,它被用作绝缘体,但研究小组建议可以用其他更便宜的绝缘体作为替代。(气凝胶本身由非常便宜的二氧化硅制成,但需要专门的干燥设备才能制造。)

王强调,该团队的关键贡献是一个框架,以了解如何优化这种多级被动系统,他们称之为热本地化多级脱盐。他们开发的公式可能适用于各种材料和设备架构,允许根据不同的操作规模或当地条件和材料进一步优化系统。

一种可能的配置方式是将面板漂浮在诸如蓄水池之类的咸水水体上。只要每天阳光普照,这些管道可以不断地、被动地将淡水通过管道输送到岸边。其他的系统可以设计为一个单一的家庭,也许使用一个大的浅水池的平板海水泵送或携带。该团队估计,一个大约1平方米的太阳能收集区域可以满足一个人每天的饮用水需求。在生产中,他们认为一个满足家庭需要的系统可能只需要100美元。

研究人员计划进行进一步的实验,以继续优化材料和配置的选择,并测试该系统在现实条件下的耐久性。他们还将致力于将实验室规模设备的设计转化为适合消费者使用的产品。人们希望它最终能在缓解发展中国家部分地区的缺水问题上发挥作用,这些地区可靠的电力稀缺,但海水和阳光充足。

“这种新方法非常重要,”该公司实验室副主任拉维·普拉舍(Ravi Prasher)说

劳伦斯·伯克利国家实验室,加州大学伯克利分校机械工程副教授,他没有参与这项工作。“太阳能蒸馏技术面临的挑战之一是,由于冷凝过程中大量能量的损失,海水淡化的效率很低。通过有效地收集冷凝能,太阳能转化为蒸汽的整体效率得到显著提高。这种效率的提高将对降低采出水的成本产生全面的影响。”

研究小组成员包括上海交通大学的李邦军、王晨曦和王茹竹,以及麻省理工学院水问题教授比克拉姆·巴提亚、凯尔·威尔克、宋永燮、奥马尔·拉班和约翰·林哈德。该研究得到了中国国家自然科学基金、新加坡-麻省理工学院研究与技术联盟和麻省理工学院塔塔技术与设计中心的支持。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:http://news.mit.edu/2020/passive-solar-powered-water-desalination-0207

https://petbyus.com/22928/